JP2008148469A - スピンドルモータ，ディスク駆動装置及び固定子鉄心の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、鉄損，コギングトルクを低減できるスピンドルモータを提供することにある。
【解決手段】
本発明は、固定子と回転子とをもつスピンドルモータに関し、固定子は、ヨークと突極とを有する固定子鉄心と、ステータコイルとを有し、固定子鉄心は、積層された鋼板で作られており、鋼板の突極とヨークとが、エッチング加工により形成されており、鋼板の厚さが、０.０５〜０.３０mmであることを特徴とする。特に、ここで使用される鋼板は、結晶粒子を有する珪素鋼板であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、スピンドルモータ，ディスク駆動装置及び固定子鉄心の製造方法に関する。

情報の記録容量の増加に伴って、ＨＤＤ及び光ディスク装置の小型軽量化，大容量化，高速化が求められている。更に、携帯用としては利便性から、一回のバッテリ充電での使用時間を増加させる必要がある。このディスク駆動装置の性能を決める要素の一つにスピンドルモータがある。上記の性能を向上させるためには、スピンドルモータの高効率で、高速，高精度回転可能なスピンドルモータの実現が重要である。

ここで、第一に、大容量化，高速化に対しては、スピンドルモータにコギングトルク低減が重要である。さらに、高効率，高速化に対しては、スピンドルモータの効率向上、特に鉄損の低減が重要な課題である。

ここで、上記従来ディスク駆動用スピンドルモータの例として、特許文献１，特許文献２，特許文献３に開示されている。ここでは、いずれも厚板の電磁鋼板をパンチング加工により、制作する方法について開示している。

特開２０００−２３５７６６号公報 特開２０００−１５６９５８号公報 特許公報第３５５１７３２号公報

ディスク装置の高速，大容量のデータのやりとりを行うために、そこで使用されるスピンドルモータとしては、脈動トルクの低減，高効率化が必須である。

高速化対応の用途に使用されるスピンドルモータの高効率化に対しては鉄損低減の比重が大きい。ここで、鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損との和で表わすことができる。

ヒステリシス損は、交番磁界により磁心の磁区が向きを変えるときに生じる損失であり、ヒステリシス曲線の内部の面積に依存する。

スピンドルモータの固定子を構成する固定子鉄心は、渦電流損を低減する目的で厚い電磁鋼板を積層して磁気回路を形成している。

また、固定子鉄心は、突極を有する複雑な形状をしており、現状、パンチング加工により固定子鉄心を製造している。パンチング加工を行うと電磁鋼板の切断部分の結晶構造が変形して、磁気特性が劣化し、ヒステリシス曲線の内側面積が大きくなり、鉄損が増大する問題がある。また、厚い電磁鋼板は、渦電流損が大きい欠点があり、このため、スピンドルモータの効率が改善されないという問題があった。

また、パンチング加工では、大きくてもモータ外径が１０mm〜３０mmで精度を必要とする反面、パンチング加工の精度が悪いために、コギングトルクが改善されない欠点がある。

本発明は、前記開示例の欠点を除き、鉄損低減でき、高効率で、かつコギングトルクを低減したスピンドルモータを提供するとともに、そのスピンドルモータを使用した、高速、大容量記録が可能で、長時間使用できるディスク駆動装置を提供することにある。

本発明の主たる実施態様は、パンチング加工による磁気特性の劣化を防止し、更なる磁気特性の向上を図るため、高精度のエッチング加工を用いて鋼板を加工し、その鋼板の厚さを０.３０mm以下と薄肉化することにある。

特に、本発明の実施態様の一つは、厚さが０.３０mm 以下のような薄肉化された電磁鋼板の一つである珪素鋼板を、エッチング加工を用いて加工し、磁気特性の向上を図ることである。

ここで説明するスピンドルモータは、固定子と回転子とを有するものであり、固定子は、突極を有する固定子鉄心と、突極間に配置されたステータコイルとを有する。固定子鉄心は、積層された鋼板で作られており、鋼板の突極が、エッチング加工により形成されている。このとき、鋼板の厚さが、０.０８〜０.３０mm、好ましくは０.１０〜０.２５mmである。また、広くは下限値０.０５mmまで可能である。

また、固定子鉄心の積層鉄心密度（％）が、鋼材（鋼板の）板厚（mm）×枚数（枚）÷鉄心の高さ(mm)×１００のように定義されると、その積層鉄心密度は、９０.０〜９９.９％であることが好ましい。

本発明によれば、鉄損低減でき、高効率で、かつコギングトルクを低減によるスピンドルモータ並びにそれを用いた高速，大容量記録を可能で、長時間使用できるディスク駆動装置を提供することにある。

以下、本発明の一実施例について図を用いて説明する。

図１に本発明の第１の実施例であるスピンドルモータを示す。本実施例の永久磁石モータは外転型で、８極の回転子２０と６極の固定子１０とを有する４：３構造スピンドルモータである。回転子２０は８個の永久磁石３と、永久磁石３を固定するハブ４を有する。固定子１０は、６個の突極８を有し、突極８にはステータコイル５が巻装されてある。永久磁石３と向かい合う突極端２の表面には、突極８の中央に近い２ヶ所に補正溝６が設けられている。永久磁石３の磁極位置を検出する方法については本質的な問題ではないため省略したが、ホール素子をハウジング１に設けたり、ステータコイル５に発生する誘起電圧を検出するなどのブラシレスタイプなどがある。

補正溝６を有さないスピンドルモータでは、回転子２０の極数が８極、固定子の極数が６極であるため、この８と６の最小公倍数である２４のコギングトルクが１回転あたりに発生してしまう。このコギングトルクは、機械角で１０゜の周期である。

本実施例では、このコギングトルクを補正するために、隣り合う突極端２の間のスリット７を基準として、機械角で５×(２ｎ＋１)゜（ただしｎ＝０，１，２，３・・・）のところにスリット７と同じような形状の溝、すなわち補正溝６を設けている。補正溝６を設けたことにより、補正溝６を有さないスピンドルモータの場合とは１８０゜位相の異なるトルクを発生させて、コギングトルクを補正し滑らかな回転を得ている。これは、スリット７によるコギングトルクが機械角で１０゜周期で発生するため、機械角で５゜の奇数倍の位置に補正溝６を設ければ、スリット７によるコギングトルクとちょうど１８０゜位相が異なるトルクを発生できるためである。即ち、補正溝６はコギングトルクの周期をＴｃ（Ｔｃは永久磁石の極数をＭ、突極数をＳとし、ＭとＳの最小公倍数をＬとしたときＴｃ＝３６０／Ｌ゜になる）としたとき、スリット７から機械角でＴｃ（２ｎ＋１）／２＝
（３６０／Ｌ）×（２ｎ＋１）／２度（ただし、ｎは整数）だけ離して設ければよい。

本実施例では、更に、突極端２の機械的強度及びモータ効率の問題点を解決するために、スリット７を基準にして機械角５×(２ｎ＋１)゜で、ｎ＝１，２のところ、即ち１５゜と２５゜のところに補正溝６を設ける。

このことにより次のような特徴が得られる。

（１）ｎを１と２にすることにより、補正溝６の位置は図１に示した補正溝６の位置に比べ、機械角で約１.７゜ だけ突極８の中央に近づけることができる。

（２）スリット７による磁気的影響をキャンセルするために、１５゜と２５゜の２本の補正溝６で分担して補正するため、スリット７の磁気的影響に対して半分の磁気的影響となる溝の深さでよい。すなわち、補正溝６の深さを浅くできる。

従って、（１）および（２）から、溝背部の鉄心の幅を確保できる。厚くすることができる。このことによりコギングトルク低減とモータ効率，突極端２の機械的強度確保の両立を実現できる。

次に、補正溝６の位置，幅Ｗおよび深さＤとトルクの関係について説明する。

スリット７によるコギングトルクは機械角１０゜周期であるため、隣り合うスリット７の間（４０゜）で４周期のコギングトルクが発生する。このコギングトルクと逆位相の補正トルクを発生させるためには、適正な位置に補助溝を設ければよい。本実施例では、より突極８の中央に近い２ヶ所に補正溝６を設けた。このことにより、１ヶ所の場合より溝の深さＤを浅くすることができる。従って、突極端２の機械的強度を確保することができる。

なお、補正溝６の幅Ｗは、隣り合うスリット７の角度（４０゜）を８等分した幅(５゜)にすることにより、補正溝６の深さＤを浅くすることができる。これは、コギングトルクと同様に、隣り合うスリット７の間で４周期発生させる必要がある補正トルクは、隣り合うスリット７の間の８等分の幅にすることにより、ちょうど溝の幅と補正トルクの半周期が一致し一番効率よく脈動トルクを発生できるためである。

すなわち、補正溝６の幅Ｗは、コギングトルクの周期をＴｃ（Ｔｃは回転子の極数をＭ、固定子の極数をＳとし、ＭとＳの最小公倍数をＬとしたときＴｃ＝３６０／Ｌ゜になる）としたとき、Ｔｃ／２＝（３６０／Ｌ）／２゜の角度となる幅で設けることにより、補正トルクを最も効率よく発生できるため、補正溝６の深さＤを浅くすることができる。

以上説明したように、本実施例のスピンドルモータを用いれば、速度変動の少ない滑らかな回転を高効率に得ることができ、回転による騒音を低減できるので、特に携帯情報機器に使用されるＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤやＨＤＤなどのディスクを駆動するディスク装置のスピンドルモータとして有効である。

図２に本発明の実施例であるスピンドルモータを用いたＨＤＤ装置の一例を示す。

本実施例のＨＤＤ装置に用いたスピンドルモータは、図１の実施例で説明した外転形のスピンドルモータであり、固定子鉄心の突極端２には、図１の実施例で示した原理による補正溝６が設けられている。従って、第１の実施例の永久磁石モータと同様に、速度変動の少なく、滑らかで騒音が少ない回転を高効率に得ることができる。

この補正溝６，スリット７の形状並びに寸法公差は、コギングトルクの発生に大きく影響する。本発明では、従来例で示したパンチング加工に対して、薄板のエッチング加工により、スリット７によるコギングトルクとほぼ同じで、かつ逆位相のコギングトルクを発生できる補助溝構造を作ることができる。また、外周等の精度の向上はスリット７以外のコギングトルク成分を十分小さく押さえてくれるので、全体のコギングトルクを十分小さくすることができる。

このような構成によるＨＤＤ装置においては、コギングトルクが十分小さいことから、磁気情報が記録されるディスク３０の回転速度変動をきわめて少なくすることができるため、磁気情報の記録再生が安定し、高速でかつ信頼性を向上させること及び記録密度を向上させることができる。

なお、この例ではＨＤＤ装置を示したが、ディスク３０にレーザ光で情報を記録再生するＣＤ−ＲＯＭ装置やＤＶＤ装置などに応用した場合においても、ディスク３０の回転速度変動をきわめて少なくすることができるため、レーザ光による情報の記録再生が安定し、信頼性を向上させること及び記録密度を向上させることができる。

ここで、本発明のエッチング加工の固定子鉄心について、説明する。

固定子鉄心（以下「鉄心」と呼称する場合がある）は、積層された鋼板で作られており、鋼板の突極が、エッチング加工、好ましくはフォトエッチング加工により形成されている。このとき、鋼板の厚さが、０.０８〜０.３０mmである。

もちろん、固定子鉄心の全体をエッチング加工により加工することが、磁気特性および製造工程全体の作業性の観点から望ましい。

また、固定子鉄心と同様に回転子鉄心についても、０.０８〜０.３０mmの厚さの珪素鋼板をエッチング加工することが、磁気特性の改善の観点から望ましい。すなわち、パンチング加工による固定子鉄心あるいは回転子鉄心の加工は、鋼板内の規則的な結晶配置を破壊し、このことによりヒステリシス損を増大する。固定子鉄心や回転子鉄心をエッチング加工することで、規則的な結晶配置の破壊を防止でき、ヒステリシス損の増大を防止できる。

パンチング加工は加工対象の鋼板が薄くなればなるほど切断部の乱れ、例えばつぶれ，バリ，ダレが大きな問題となり、ヒステリシス損が増大する傾向を示す。

さらに、パンチング加工で加工可能な形状は、円または直線といった単純な形状の加工である。その理由は、パンチング加工では金型が必要であり、この金型を複雑な曲線に形成することは極めて困難である。また、金型を研磨する場合にも、複雑な曲線形状を有する金型の場合には、うまく研磨ができないという問題がある。

このためパンチング加工などの機械加工では、渦電流損を低減する目的で電磁鋼板を薄くすることはできるが、ヒステリシス損が増大することとなり、鉄損を低く抑えることが困難となる。

エッチング加工はこのような問題を解決できる。このエッチング加工によりヒステリシス損を低く抑え、渦電流損を低減できる。スピンドルモータでは固定子鉄心をエッチング加工することにより、スピンドルモータ全体の効率を、更に向上させることができる。なお、エッチング加工の代表的な方法として、フォトエッチングによる加工がある。

エッチング加工は、鋼板内の規則的な結晶配置の破壊を防止できることによるヒステリシス損の低減効果を有する他に、加工精度の大幅向上によるスピンドルモータの特性の改善が期待できる。

また、磁気ギャップの幅を高精度に加工でき、トルク脈動あるいは高調波磁束の低減による、あるいは磁気抵抗の低減や磁束漏れの低減による、スピンドルモータの特性や効率の改善が可能となる。

さらに、特性の改善や性能の向上につながる複雑な曲線形状で固定子鉄心を加工することが可能となることで、パンチング加工に比較して、特性改善や性能向上が可能となる。

例えば、固定子鉄心と回転子との間のギャップの形状を高精度で加工することにより、効率向上のみならず、脈動の低減などの性能向上や特性改善が可能となる。

具体的には以下の形態で説明する。

本形態では、鉄心の積層鉄心密度は、９０.０〜９９.９％である。好ましくは９３.０〜９９.９％である。

なお、この積層鉄心密度は、機械的に積層された鉄心を圧縮することにより向上させることも必ずしも不可能ではない。しかしながら、こうした場合、鉄損が増加してしまい好ましいとはいえない。本形態で説明するものは、こうした積層鉄心密度を向上させるための特別な工程を設けることなく、積層鉄心密度を向上させることのできるものである。

このような鉄心の積層鉄心密度の向上は鉄心内の磁束密度を低下でき、これによって、スピンドルモータの鉄損を低減できる効果がある。

上記の場合、鉄心の積層鉄心密度（％）は、鋼板の板厚０.０８〜０.３０mmであり、鉄心の枚数２０〜１００（枚）程度であり、鉄心の高さ５〜２０mmである。

鋼板の組成は、Ｃが０.００１〜０.０６０重量％、Ｍｎが０.１〜０.６重量％、Ｐが
０.０３重量％以下、Ｓが０.０３重量％以下、Ｃｒが０.１重量％以下、Ａｌが０.８重量％以下、Ｓｉが０.５〜７.０重量％、Ｃｕが０.０１〜０.２０重量％を含有し、残部が不可避な不純物とＦｅとからなる。なお、不可避な不純物は、酸素や窒素のガス成分等である。

そして、好ましくは、鋼板の組成は、Ｃが０.００２〜０.０２０ 重量％、Ｍｎが０.１〜０.３重量％、Ｐが０.０２重量％以下、Ｓが０.０２重量％以下、Ｃｒが０.０５重量％以下、Ａｌが０.５ 重量％以下、Ｓｉが０.８〜６.５重量％、Ｃｕが０.０１〜０.１重量％を含有し、残部が不純物とＦｅとからなる、結晶粒子を有する、いわゆる電磁鋼板としての珪素鋼板である。

こうした珪素鋼板の組成を決定する際に、特に、鉄損を低減するという観点では、ＳｉとＡｌとの含有量が重要である。こうした観点でＡｌ／Ｓｉを規定した場合、この比が
０.０１〜０.６０であることが好ましい。さらに好ましくはこの比が０.０１〜０.２０である。

なお、珪素鋼板における珪素の濃度は、０.８〜２.０重量％を用いるスピンドルモータと、４.５〜６.５重量％を用いるスピンドルモータとを、そのスピンドルモータの種類によって、使い分けることができる。

なお、珪素の含有量を下げることによって、珪素鋼板の磁束密度は向上する。本形態の場合は、１.８〜２.２Ｔとすることができる。

珪素の含有量が少ない場合、圧延加工性が向上し、板厚を薄くすることができ、板厚を薄くすることにより、鉄損も減少する。一方、珪素の含有量が多い場合、圧延加工性の低下は珪素を圧延加工の後に含有させる等の工夫を施すことにより解決され、鉄損も減少する。

また、珪素鋼板に含有される珪素の分布は、珪素鋼板の厚み方向に対して、ほぼ均一に分散させてもよく、また、珪素の濃度を部分的に高くするように、珪素鋼板の厚み方向に対して、内部の濃度より表面部の濃度を高くすることも可能である。

さらには、鉄心は、積層された鋼板と鋼板との間に、厚さが０.０１〜０.２μｍである絶縁被膜を有し、その絶縁被膜の厚さも、０.１〜０.２μｍ、好ましくは０.１２〜0.18μｍであるスピンドルモータと、０.０１〜０.０５μｍ、好ましくは０.０２〜０.０４
μｍのスピンドルモータとがある。

なお、絶縁被膜の厚さが、０.１〜０.２μｍである場合には、その絶縁被膜は、有機や無機の膜を用いることが好ましい。絶縁被膜の材料としては、有機材料，無機材料、これら材料が混合されたハイブリット材料を用いることもできる。

また、絶縁被膜の厚さが、０.０１〜０.０５μｍである場合には、その絶縁被膜は、酸化被膜であることが好ましい。特に、鉄系の酸化被膜が好ましい。

つまり、珪素鋼板の板厚を薄肉化することによって、絶縁被膜の厚さも薄くすることができるようになる。

従来の電磁鋼板の絶縁皮膜は、パンチング加工後でも絶縁性が維持できると同時に、パンチング加工性そのものを向上させるために潤滑性，鋼板の密着性，パンチング加工後の焼鈍における耐熱性，積層された電磁鋼鈑を溶接して鉄心を形成する際の溶接性等、絶縁性以外の特性も加味して、絶縁皮膜の厚みや成分が調整され、０.３μｍ 程度の厚さが必要となっていた。

しかしながら、本形態で説明する薄肉化した珪素鋼板では、絶縁皮膜の厚さを薄くする必要がある。

従来と同様な厚さの絶縁被膜を用いた場合、珪素鋼板が薄肉化したため、相対的に、絶縁皮膜の体積率が珪素鋼板の体積率に対して増加し、磁束密度が低下する恐れがあるからである。

このように、本形態で説明する薄肉化した珪素鋼板では、絶縁皮膜の厚さを薄くすることができる。

一般的に、電磁鋼板を薄くする場合、絶縁被膜は厚くする必要がある。しかしながら、本形態では、こうした考え方とは異なり、電磁鋼板を薄くしても絶縁被膜を厚くする必要がなく、むしろ電磁鋼板と共に薄くすることが可能となる。したがって、積層鉄心密度も向上することになる。

そして、珪素鋼板における珪素の分散状態と、回転子の使用条件とを勘案して、検討する必要があり、最高回転速度の運転域が低速にあり、珪素鋼板からなる鋼板に含有される珪素が鋼板の厚み方向に分散されている場合と、最高回転速度の運転は一般に数千〜数万rpm であり、珪素鋼板からなる鋼板に含有される珪素の濃度が、内部より表面部が高い場合とを、用途に応じて使い分けることができる。

回転速度と鉄損との関係には、回転速度が上昇すれば上昇するほど、磁束の交番周波数が高くなるため鉄損が増加する関係がある。回転速度が速いスピンドルモータは回転速度が遅いスピンドルモータより、鉄損が増加する傾向にある。この点を考慮して、珪素鋼板における珪素の含有量を検討する必要がある。

なお、珪素鋼板に含有される珪素は、溶解法により、電磁鋼板に均一的に添加してもよく、表面改質またはイオン注入，ＣＶＤ（ケミカルベーパデポジット）などの方法により、電磁鋼板に局部的、特に表面部に添加してもよい。

また、本形態で説明する電磁鋼板は、スピンドルモータの固定子を形成する突極とヨークとを有する鉄心に使用されることを前提とし、厚さが０.０８〜０.３０mmであり、突極およびヨークとがエッチング加工により形成されることが可能なものである。

幅が５０〜２００cmである電磁鋼板におけるエッチング加工は、鋼板にレジストを塗布し、固定子鉄心の形状を露光し、現像して、この形状に基づきレジストを除去し、エッチング液により加工し、エッチング液による加工後、残ったレジストを除去することで行われる。

低鉄損化に有利とされる珪素鋼板の薄肉化については、珪素鋼板の圧延加工性の悪さや、鉄心を打ち抜く際のプロセスであるパンチング加工性の悪さから、工業規模で大幅なコスト増を伴わずに実現することは不可能とされてきた。このように、高効率・低トルク脈動のスピンドルモータに使用する電磁鋼板として珪素鋼板を使用した場合、板厚０.５０
mmと０.３５mmとが中心であり、永らく薄肉化の進展がなかった。

しかしながら、本形態では、パンチング加工を使用せず、エッチング加工を使用することにより、工業規模で大幅なコスト増を伴わずに、鉄心に用いる珪素鋼板の薄肉化を可能とし、低鉄損化を実現した。

本形態では、鉄心の低鉄損化を実現するために、鉄損の小さい珪素鋼板を使用すると共に圧延加工をも考慮した珪素含有量の調整，珪素鋼板の圧延加工をも考慮した板厚の薄肉化，鉄心の形状に形成するエッチング加工の適用，積層された鉄心を構成する一枚一枚の珪素鋼板の低鉄損化，珪素鋼板と珪素鋼板との間に形成される絶縁皮膜を考慮した鉄心としての低鉄損化を考慮する。

金型を用いた打ち抜き加工法であるパンチング加工では、切断部近傍に加工硬化層や、バリやダレ（以下「バリ等」と呼称する）と称される塑性変形層が形成され、残留歪や残留応力が発生する。パンチング加工時に発生する残留応力は、分子磁石の配列の規則性を破壊し、すなわち磁区を破壊し、鉄損を著しく増大させ、残留応力を除去するための焼鈍工程が必要となる。焼鈍工程は、鉄心の製造コストの更なる増加をもたらすことになる。

本形態では、こうしたパンチング加工を施さずに鉄心を形成するため、塑性変形層が形成されることもほとんどなく、残留歪や残留応力が発生することもない。従って結晶粒子の配列状態を乱すこともほとんど無く、分子磁石の配列、すなわち磁区の配列の損傷を防止でき、磁気特性であるヒステリシス特性の劣化を防止できる。

また、鉄心は、加工された珪素鋼板を積層して形成される。この珪素鋼板の残留歪や残留応力の発生を抑制することによって、鉄心としての磁気特性をさらに向上させることができる。

したがって、本形態に係るスピンドルモータは、低鉄損化，高出力化，小型軽量化を実現することができる。また、このスピンドルモータに使用する電磁鋼板は、エッジ部分にバリ等がほとんどない良好なものである。

バリ等は、塑性変形層の一つで、切断部に沿って、鋼板の平面方向から空間方向に鋭利に突出するため、電磁鋼板の表面に形成される絶縁皮膜を破り、積層される鋼板の間の絶縁を破壊する場合がある。

また、こうした鋼板を積層する場合には、バリ等によって、積層される鋼板の間に不要な空隙が作られるため、積層鉄心密度の増加が阻害され、その結果、磁束密度が低下する。磁束密度の低下は、スピンドルモータの小型軽量化を阻害する。

電磁鋼鈑を積層後、鉄心を板厚方向に圧縮することで、バリ等を潰し、積層鉄心密度を向上させる方法が採られる場合もあるが、この場合、加圧圧縮によって残留応力が増加し、鉄損が増加する。さらに、バリ等による絶縁破壊の問題も残る。

本形態で説明する鉄心は、バリ等がほとんど発生しないため、加圧圧縮することもなく、積層鉄心密度を向上させることができ、また、絶縁破壊を起こすこともない。したがって、鉄損も低減することができる。

鉄心に用いる電磁鋼板としての珪素鋼板において、珪素の含有量として６.５ 重量％が、理論上、最も鉄損が低い。しかしながら、珪素の含有量が増えると圧延加工性やパンチング加工性が著しく悪くなる。このため、多少鉄損が高いものであっても、圧延加工性やパンチング加工性を考慮して、珪素鋼板における珪素の含有量として約３.０ 重量％が主流である。

本形態で説明する珪素鋼板は、板厚を０.３mm 以下と薄肉化することができるため、珪素の含有量を２.０ 重量％以下としても、鉄損が低いものである。

従来、板厚０.３mm 以下の薄肉化した珪素鋼板の製造には、圧延，焼鈍等の特別の工程が必要であったが、本形態で説明する珪素鋼板は、こうした特別の工程を必要としないため、薄肉化した珪素鋼板の製造コストも低減可能である。なお、鉄心の製造に関しては、パンチング加工を必要としないため、更なる製造コストの低減が可能である。

なお、鉄心の主力材料である珪素鋼板とは別に、極薄電磁材料として特殊な用途で限定的に使用される極めて高価なアモルファス材料が知られているが、アモルファス材料は、溶融金属を急速に凝固させ箔体として製造される特殊なプロセスを有するため、０.０５
mm厚程度またはこれ以下の超薄肉で３００mm幅程度の極少量の製造は可能であるが、これ以上の板厚や板幅の材料の製造は工業規模では不可能とされている。

このようにアモルファス材料は、硬く脆い材質で薄すぎるため、パンチング加工ができず、化学成分の制限から磁束密度が低いなどの理由のため鉄心の材料としては主力となり得ない。

本形態で説明する電磁鋼鈑は、このようなアモルファス材料とは異なり、結晶粒子を有するものである。

また、本形態における電磁鋼板は、低鉄損化に有利な薄肉化，歪の低減，高出力化，小型軽量化に有利な寸法精度の向上と、高磁束密度化に有利な鉄心積層密度の向上と、を同時に実現させるものでもある。

つまり、本形態によれば、低鉄損失と共に、高出力化，小型軽量化を実現できる鉄心を、提供することができる。

電磁鋼板の板厚と鉄損との関係を図３に示す。

板厚と鉄損との間には、図３より、板厚が厚くなれば厚くなるほど、鉄損が高くなるという関係があることがわかる。

このうち一般的に用いられる珪素鋼板の板厚は、圧延加工やパンチング加工性を考慮して、０.５０mmと０.３５mmとの２種類である。

鉄心の製造に広く用いられるこの２種類の板厚の珪素鋼板では、鉄損を低減するため、圧延と焼鈍とを施す必要がある。また、更なる薄肉化を実現するためには、対象となる鉄心の形状や大きさで繰り返す回数は異なるが、こうした圧延と焼鈍とを繰り返す必要がある。このように、一般的に用いられる珪素鋼板では、薄肉化を実現するために、圧延，焼鈍等の特別の工程を追加して製造する必要があり、製造コストが高くなる。

本形態で説明する鉄心は、製造コストも低減でき、鉄心の加工上の問題も解決することができるため、工業規模での大量生産が可能となる。

本形態では、０.０８〜０.３０mmの板厚の珪素鋼板を使用するものである。なお、好ましくは、０.１〜０.２mmの板厚の珪素鋼板を使用し、エッチング加工を用いて鉄心の形状を作製する。

図３には、参考のためアモルファス材料の板厚の領域も示している。アモルファス材料は、溶融金属を急速に凝固させ箔体として製造される特殊なプロセスを有するため、0.05mm厚程度またはそれ以下の超薄肉の製造に適し、これ以上の板厚は急速な冷却が困難となるため、製造が難しい。また、板幅も３００mm幅程度の狭いものしか製造ができず、特殊な製造プロセスと相まって製造コストが著しく高くなる。

また、磁気特性については、鉄損は低いが、磁束密度が低いという欠点がある。これは急冷に凝固させるため化学成分に制限があるためである。

本形態では、このようなアモルファス材料を使用することなく、結晶粒子を有する珪素鋼板を使用する。

次に、珪素鋼板の代表的な製造プロセスを示す。

電磁鋼板に成り得る材料を製鋼する。例えば、Ｃが０.００５重量％、Ｍｎが０.２重量％、Ｐが０.０２重量％、Ｓが０.０２重量％、Ｃｒが０.０３重量％、Ａｌが０.０３重量％、Ｓｉが２.０重量％、Ｃｕが０.０１重量％を含有し、残部がＦｅと若干の不純物とからなる組成を有する鋼板材料を用いる。

こうした鋼板材料を、連続鋳造，熱間圧延，連続焼鈍，酸洗，冷間圧延，連続焼鈍を施すことにより、板幅５０〜２００cm、ここでは特に板幅５０cm，板厚０.２mm の珪素鋼板を製造する。

また、作製された珪素鋼板の表面に、鉄損を低減するため、さらに、４.５〜６.５重量％の珪素を形成してもよい。

この後、厚さ０.１μｍ の有機樹脂の絶縁被膜コーティグを施し、珪素鋼板を製造する。

場合によっては、特別な絶縁被膜コーティグの工程を用いずに、厚さ０.０１〜０.０５μｍの酸化被膜を作製してもよい。

なお、ここで説明した絶縁被膜コーティグの工程は、鉄心を製造する際、エッチング加工の工程の後に施されることが好ましい。

なお、珪素鋼板は、平板又はコイル状，ロール状に形成される。

次に、鉄心の代表的な製造プロセスを示す。

製造された珪素鋼板に前処理を施し、レジストを塗布する。このレジストに対して、マスクを用いて固定子鉄心の形状を露光し現像する。この形状に基づきレジストを除去する。さらに、エッチング液により加工する。エッチング液による加工後、残ったレジストを除去し、所望の固定子鉄心の形状を有する珪素鋼板を製造する。こうした製造には、例えばフォトエッチング加工が有効であり、金属マスクを用いた微細孔を精密に加工する方法を使用することも有効である。

製造された所望の固定子鉄心の形状を有し、鉄心の形状を有する珪素鋼板を複数枚積層し、溶接等を用いて積層された珪素鋼板を固定することにより、鉄心を製造する。なお、溶接に際しては、ファイバーレーザー等の入熱の少ない溶接を施すことが好ましい。

エッチング加工を用いて、突極の形状を製造することによって、極めて高い加工精度、例えば、誤差として±１０μｍ以下、好ましくは±５μｍ以下で、所望の形状の固定子鉄心を製造することが可能である。

また、真円度で誤差を表現すると、３０μｍ以下、好ましくは１５μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下である。なお、真円度とは、円形部分の幾何学的円からの狂いの大きさをいい、円形部分を二つの同心の幾何学的円で挟んだときの両円の間の領域が最小となる場合の半径の差をいう。

図４に、珪素鋼板における珪素含有量と鉄損との関係を示す。

図４に示すように、珪素含有量が６.５ 重量％の珪素鋼板が最も鉄損が少ない。しかしながら、６.５ 重量％と多量の珪素が、珪素鋼板に含有されている場合、圧延加工が難しく、所望の厚さの珪素鋼板の製造が困難になる。圧延加工性は、電磁鋼鈑に含有される珪素が多くなれば多くなるほど、悪化するという傾向にあるためである。こうした背景から、鉄損と圧延加工性とのバランスを考慮して、３.０ 重量％の珪素が含有されている珪素鋼板が用いられている。

つまり、本形態では、珪素鋼板の板厚を薄肉化することにより、珪素鋼板の鉄損を低減し、珪素鋼板における珪素の含有量の鉄損に対する影響度を小さくする。

したがって、本形態で説明する珪素鋼板は、圧延加工性が良好になると共に、板厚を薄肉化することにより、鉄損に影響度の大きい珪素鋼板における珪素の含有量の自由度が大きくなる。こうしたことから、珪素鋼板における珪素の含有量を、０.５〜７.０重量％の範囲とすることが可能であり、０.８〜２.０重量％と４.５〜６.５重量％との極端に異なる含有量を用いることもでき、鉄心の仕様またはスピンドルモータの用途によって、使い分けすることができるようになる。

図５に、エッチング加工による代表的な加工断面形状を示す。

珪素鋼板をエッチング加工することにより、酸液で溶解された加工断面近傍には、(ａ)に示すようにバリ等の塑性変形層は存在しない。加工断面を珪素鋼板の平面方向に対して、ほぼ垂直に形成することができる。

また、先端的なフォトエッチング加工では、（ｂ）〜（ｄ）に示すように溶解部の形状の制御も可能である。つまり、所定のテーパーを形成することもでき、板厚方向に対して垂直方向に凹凸を形成することも可能である。

このように、エッチング加工された珪素鋼板は、その加工による残留応力がほぼ０であり、塑性変形層は、ほとんど存在せず、珪素鋼板の板厚方向に対する塑性変形量はほぼ０である。また、エッチング加工による加工断面近傍の塑性変形量もほぼ０である。

さらに、加工断面において、珪素鋼板の加工断面の形状を制御することができ、加工による残留応力がほぼ０であり、加工断面近傍の塑性変形量もほぼ０である切断断面形状を形成することができる。

また、こうしたエッチング加工を用いることによって、珪素鋼板の微細な結晶組織，機械的特性，表面部を最適化した状態で鉄心に適用することもできる。珪素鋼板の結晶組織の異方性や、これに基づく磁気特性の異方性を勘案して、鉄心の磁気特性の最適化を実現することもできる。

図６に、パンチング加工による代表的な加工断面形状を示す。

珪素鋼板をパンチング加工することにより、塑性加工時のせん断応力によって、加工断面近傍は著しく変形し、１０〜１００μｍ程度のバリ，ダレ，つぶれが形成される。

また、珪素鋼板の平面方向の寸法精度についても、パンチング加工では金型の寸法精度で制限され、通常は珪素鋼板の板厚に対して５％前後の空隙でせん断されるため、珪素鋼板の平面方向の寸法精度は低下する。さらに、量産時には金型の損耗で経時的に精度が低下する等の問題もある。また、薄肉化された珪素鋼板ほどパンチング加工が困難となる。

エッチング加工を適用する本形態では、こうした加工精度の問題も解決され、経時的な精度の低下も解消される。

また、固定子鉄心の形状を所定のパターンを使用して露光するとき、電磁鋼板の圧延方向に関するマーク又は基準孔を設けることが好ましい。

電磁鋼板を積層する場合、圧延方向に対して電磁鋼板が平均化されることが、スピンドルモータの特性を向上させる上で必要である。例えば、圧延方向に対して、所定量，マーク又は基準孔の位置を変え、電磁鋼板を積層する際に、マーク又は基準孔の位置を揃えることで、スピンドルモータとしての磁気特性の向上を図ることが可能となる。

以上の薄板電磁鋼板をエッチング製法にて製作したスピンドルモータは、コギングトルクを小さくでき、かつ鉄損も低減できて、高精度，高効率のスピンドルモータを提供することができる。

本発明のスピンドルモータを備えたＨＤＤ装置においては、コギングトルクが十分小さいことから、磁気情報が記録されるディスク３０の回転速度変動をきわめて少なくすることができるため、磁気情報の記録再生が安定し、高速で、大容量，高信頼性とすることができる。

図７に本発明の実施例に関わるスピンドルモータの固定子構造を、図８に発明部の要部拡大図を示す。ここで、図１と同一の記号は同一の構成部品を示す。また、回転子構造は図１と同一とする。

固定子１０は、固定子鉄心１１と固定子コイルから構成される。固定子鉄心１１はここでは６個の突極８と磁路を構成するヨーク９とからなっている。ここで、固定子鉄心は前述のエッチング後方により製作する。本発明では、更に、固定子鉄心１１の突極８からヨーク９へ通るエッチング削除部８ａ，エッチング削除部８ｂの溝部を有することを特徴とする。エッチングにより残した部分は突極ブリッジ８ｃを構成し、全体がバラバラにならないように一体化する役割を有している。このエッチング削除部８ａ，８ｂには接着剤を埋める構造とする。

また、補正溝６も電磁鋼板の両面をエッチング削除部６ａ，エッチング工法により残した補助溝ブリッジ６ｂとから構成させるようにする。ここで、補正溝６の幅，深さ等の形状は、スリット７の磁気的なパーミアンスとほぼ同じとなる形状に選定する。

薄板の電磁鋼板は厚板に対して剛性が無いために紙のようにぺらぺらした構成となる。

そこで、エッチング削除部８ａ，８ｂ，６ａに接着材（図示せず）を挿入することによって剛性を高め、組み立て精度を向上させることができる。さらに、突極８からヨーク９へ通るエッチング削除部８ａ，８ｂの溝は周方向の磁束を遮断するために突極８の磁束を半径方向の成分のみでできるため、鉄損も減少できる利点がある。これによって高速の用途に適用が可能である。

更に、前述の接着剤は積層された薄板電磁鋼板を接着させることができるため、一般に使用されているフックによる積層間の固定を省略でき、これによって磁気的に連結することがないためにより一層、鉄損の少ない固定子鉄心を提供することができる。上記のエッチング削除部は、その形状、設ける位置は図示形状に限定されるものではなく、例えば、リング上ヨークの中心位置に円環状に設けても良く、また、突極外周に周方向に設けても良い。また、エッチング削除部の形状も部分的に広くしたり、また、深くすることも可能である。例えば、補助溝内のエッチング削除部の一部が両面から削除されて補助溝ブリッジが積層方向に無いような形状を選択することも可能である。

以上のような構成によって、薄板による鉄損低減，打ち抜きによる鉄損増加の防止，積層鉄心間のフックによる電気短絡による鉄損増加の防止，突極の磁束の周方向の成分の低減による鉄損低減等を備えて大幅な鉄損を可能とすることができる。

これをＨＤＤ用のスピンドルモータとすることによって、高速での駆動が可能となり、大容量の記録が可能となり、また、消費電力が少ないことから、携帯用として用いる場合には、バッテリの一充電での使用時間を延ばすことができる。

図９，図１０に本発明の他の実施例に関わるスピンドルモータの固定子構造を示す。

本発明は、図１で示した実施例と同様、集中巻線型で、外転型電動機用固定子鉄心の構造である。

固定子鉄心は図９に示すように、ヨーク９に放射状に複数個の突極８を形成した固定子鉄心１１と、前記突極１８にそれぞれ巻装されるステータコイル５とから構成され、それぞれの突極８は数ミリのスリット７を介して環状に配列されている。

前記固定子鉄心１１の原形である電磁鋼板の１枚１枚は、前述の薄板電磁鋼板を図９のようにエッチング加工で形成したものが用いられる。即ち固定子鉄心１１の電磁鋼板は図９に示すようにヨーク９とそれぞれの突極８間に変形圧吸収空間１２が形成されるように図示の形状にエッチング加工され、かつそれぞれの突極８がばらばらにならないように、磁極保持ブリッジ１３が設けられている。一方、反つなぎ片側は開口端とし、その角部を契合端としている。そしてこの素形鋼板は所定の板厚に積層され、図９に示すように固定子鉄心１１となる。

次に、ステータコイル５の巻線行程となるが、この状態では各突極８間、即ちスリット７は巻線機のノズルが十分に移動できる範囲まで広げて設けられており、余裕を持ってスピーディに、効果的にコイルが集中巻きされる。

このとき、固定子鉄心１１は変形圧吸収空間１２の分だけ巻線部内径および外径が大きいためステータコイル５が入る空間の断面積は大きくできると共に、ステータコイルの空間の開口部であるスリット７は外径の増大分だけ広がる。すなわち、巻線可能空間の断面積が大きくなった分だけステータコイル５は巻数を多く巻装するか、あるいは巻線の線径を大きくすることができる。

ステータコイル５が施された前記固定子鉄心１１は外周方向から所定の外径寸法まで圧縮変形されて、即ち変形圧吸収空間１２がゼロになるまで圧縮変形されると磁極保持ブリッジ１３はステータコイル５の底辺に沿って塑性変形し、開口端の契合端に突極の８の内径側端部が互いにがっちり噛み合い強固に連結される。上記塑性変形による圧縮空間は前記したようにゼロが目標であるが、塑性変形の容易性を或いは塑性変形時のスプリングバックを考慮すれば予め磁極保持ブリッジ１３に塑性変形のための逃げ空間（図１０突極内周側空間）を設けておくのが良い。これによって精度よく塑性変形される。

ここで重要なのは突極８が同心的に圧縮変形されることで、コイルの損傷防止，圧縮空間をゼロにして磁気損失を最小限に抑さえることができる。

以上のような構成によって、薄板による鉄損低減，エッチング工法により打ち抜きによる鉄損増加を防止できる点など大幅な鉄損を可能とすることができる。さらにステータコイル５の占積率が増加することが可能であり、巻線の抵抗を下げることができ、これによって、スピンドルモータを一層、高効率化することができる。また、本発明では、コギングトルクの発生原因であるスリットの幅を小さくできることから、図示のように補助溝が無くてもコギングトルクを十分小さくすることができる、機械強度，トルク向上が可能である。

また、これをＨＤＤ用のスピンドルモータとすることによって、高速での駆動が可能となり、高速，大容量の記録が可能となり、また、消費電力が少ないことから、携帯用として用いる場合には、バッテリの一充電での使用時間を延ばすことができる。

本発明の一実施例に関わるスピンドルモータの構造を示す図。 本発明の一実施例に関わるＨＤＤ装置を示す図。 電磁鋼板の板厚と鉄損との関係を示す図。 珪素鋼板における珪素含有量と鉄損との関係を示す図。 エッチング加工による代表的な加工断面形状を示す図。 パンチング加工による代表的な加工断面形状を示す図。 本発明の他の実施例に関わるスピンドルモータの固定子構造を示す図。 その要部拡大図を示す図。 本発明の他の実施例に関わるスピンドルモータの固定子構造を示す図。 その完成したスピンドルモータの固定子構造を示す図。

符号の説明

１ ハウジング
２ 突極端
３ 永久磁石
４ ハブ
５ ステータコイル
６ 補正溝
７ スリット
８ 突極
９ ヨーク
１０ 固定子
１１ 固定子鉄心
１２ 変形圧吸収空間
１３ 磁極保持ブリッジ
２０ 回転子

Claims (20)

1. 固定子と回転子とを有し、前記固定子は、突極を有する固定子鉄心と、前記突極間に配置されたステータコイルとを有し、前記固定子鉄心は、積層された鋼板で作られており、
   前記鋼板の突極が、エッチング加工により形成されており、
   前記鋼板の厚さが、０.０５〜０.３０mmであることを特徴とするスピンドルモータ。
2. 請求項１において、
   前記鋼板が、Ｃが０.００１〜０.０６０重量％、Ｍｎが０.１〜０.６重量％、Ｐが0.03
   重量％以下、Ｓが０.０３重量％以下、Ｃｒが０.１重量％以下、Ａｌが０.８ 重量％以下、Ｓｉが０.５〜７.０重量％、Ｃｕが０.０１〜０.２０重量％含有し、残部が不可避な不純物とＦｅとからなる電磁鋼板であることを特徴とするスピンドルモータ。
3. 請求項１において、
   前記鋼板が、珪素鋼板であることを特徴とするスピンドルモータ。
4. 請求項１において、
   前記鋼板が、結晶粒子を有することを特徴とするスピンドルモータ。
5. 請求項１において、
   前記固定子鉄心は、積層された鋼板と鋼板との間に、厚さが０.０１〜０.２μｍである絶縁被膜を有することを特徴とするスピンドルモータ。
6. 請求項１において、
   前記固定子鉄心は、積層された鋼板と鋼板との間に、厚さが０.１〜０.２μｍである絶縁被膜を有することを特徴とするスピンドルモータ。
7. 請求項６において、
   前記絶縁被膜は、有機材料，無機材料、又は、それらの結合物であることを特徴とするスピンドルモータ。
8. 請求項１において、
   前記固定子鉄心は、積層された鋼板と鋼板との間に、厚さが０.０１〜０.０５μｍである絶縁被膜を有することを特徴とするスピンドルモータ。
9. 前記絶縁被膜は、酸化被膜であることを特徴とするスピンドルモータ。
10. 請求項３において、
    前記珪素鋼板における珪素の濃度が、０.８〜２.０重量％であることを特徴とするスピンドルモータ。
11. 請求項３において、
    前記珪素鋼板における珪素の濃度が、４.５〜６.５重量％であることを特徴とするスピンドルモータ。
12. 請求項３において、
    前記珪素鋼板における珪素の濃度が、内部より表面部が高いことを特徴とするスピンドルモータ。
13. 請求項１において、
    前記回転子の極数Ｍと前記固定子の極数Ｓとの最小公倍数をＬとして、隣り合う突極端の間のスリットの中心から、機械角（３６０／Ｌ）×（２ｎ＋１）／２度（ただし、ｎは整数）である位置のうち、前記突極の中央に近い位置に溝を２ヶ所以上に設けたことを特徴とするスピンドルモータ。
14. 請求項１において、
    固定子鉄心はその表面の一部に厚み方向に板厚と異なるエッチング削除部を設けたことを特徴とするスピンドルモータ。
15. 請求項１４において、
    前記エッチング削除部に樹脂を配置したことを特徴とするスピンドルモータ。
16. 請求項１に記載のスピンドルモータを用いたディスク駆動装置。
17. 固定子と回転子とを有し、前記固定子は、突極を有する固定子鉄心と、前記突極間に配置されたステータコイルと、を有し、前記固定子鉄心は、積層された鋼板で作られており、
    前記鋼板の厚さが、０.０５〜０.３０mmであって、
    積層鉄心密度（％）＝鋼材板厚（mm）×枚数（枚）÷鉄心高さ（mm）×１００で定義される積層鉄心密度が、９０.０〜９９.９％であることを特徴とするスピンドルモータ。
18. 請求項１７において、
    前記鋼板の固定子鉄心とが、エッチング加工により形成されており、前記エッチング加工は、前記鋼板にレジストを塗布し、固定子鉄心の形状を露光し、現像して前記形状に基づきレジストを除去し、エッチング液により加工し、エッチング液による加工後、残ったレジストを除去することで行われることを特徴とするスピンドルモータ。
19. 突極の内周部に磁極保持ブリッジにより環状に複数個の突極を配列した固定子鉄心を積層して形成し、前記突極にステータコイルを巻装し、その後、固定子鉄心を外周方向から所定の外径寸法まで圧縮変形して固定子鉄心を作成したことを特徴とする回転子鉄心の製造方法。
20. 請求項１９において、
    前記磁極保持ブリッジの変形を突極の根本部に形成した変形圧吸収空間により吸収したことを特徴とする固定子鉄心の製造方法。

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